Pesquisadores da Universidade de Iowa identificaram uma nova maneira de “purificar” fótons, um desenvolvimento que pode melhorar tanto o desempenho quanto a segurança das tecnologias quânticas baseadas em luz. Ao refinar a forma como partículas únicas de luz são produzidas, a abordagem visa superar limitações de longa data em sistemas ópticos quânticos.
A equipe concentrou-se em dois grandes obstáculos que dificultam a geração de um fluxo confiável de fótons únicos, essenciais para computadores quânticos fotônicos e redes de comunicação seguras.
Um dos desafios é conhecido como dispersão do laser. Quando um laser ilumina um átomo para desencadear a liberação de um fóton, o processo também pode produzir fótons adicionais indesejados. Essas partículas extras atuam como interferência em um circuito óptico, reduzindo a eficiência de maneira semelhante a como a corrente elétrica indesejada perturba um circuito convencional.
Um segundo problema surge da maneira como os átomos às vezes reagem à luz do laser. Em casos raros, um átomo emite mais de um fóton ao mesmo tempo. Quando isso acontece, a ordem precisa necessária para operações quânticas se desintegra, já que os fótons extras interferem no fluxo pretendido, que deve ser um a um.
Usando Ruído de Laser para Cancelar Luz Indesejada
No novo estudo, Matthew Nelson, um estudante de pós-graduação no Departamento de Física e Astronomia, encontrou uma conexão inesperada entre esses dois problemas. Ele descobriu que, quando um átomo libera múltiplos fótons, o espectro de comprimento de onda resultante e a forma de onda se igualam de perto aos da luz do laser.
De acordo com os pesquisadores, essa similaridade significa que os dois sinais podem ser cuidadosamente ajustados para se cancelarem. Na prática, a dispersão do laser que normalmente causa problemas pode ser utilizada para suprimir as emissões indesejadas de fótons.
“Mostramos que a dispersão de laser indesejada, tipicamente considerada um incômodo, pode ser aproveitada para cancelar a emissão indesejada de múltiplos fótons,” afirma Ravitej Uppu, professor assistente no Departamento de Física e Astronomia e autor correspondente do estudo. “Esse avanço teórico pode transformar um problema de longa data em uma nova ferramenta poderosa para o avanço das tecnologias quânticas.”
Por que os Fótons Únicos São Importantes para a Computação Quântica
A computação fotônica depende da luz em vez da eletricidade para realizar cálculos, oferecendo o potencial para sistemas mais rápidos e eficientes. Computadores convencionais operam usando bits — fluxos de pulsos elétricos ou ópticos que representam uns ou zeros. Computadores quânticos, por sua vez, utilizam qubits, que são frequentemente partículas subatômicas como os fótons.
Muitas empresas de tecnologia emergente acreditam que plataformas fotônicas desempenharão um papel fundamental no futuro da computação quântica. Um fluxo estável e bem controlado de fótons únicos é central para tornar essa visão prática.
Um fluxo ordenado de fótons é mais fácil de gerenciar e escalar, além de melhorar a segurança. Os pesquisadores comparam isso a guiar alunos por uma fila em uma cafeteria um de cada vez, em vez de deixá-los se mover como uma multidão. Da mesma forma, uma fila de fótons única e organizada reduz o risco de dados serem interceptados ou ouvidos.
Controle de Precisão para Fluxos de Fótons Mais Limpas
Uppu explica que o controle cuidadoso do feixe de laser é a chave para o novo método. “Se conseguirmos controlar exatamente como o feixe de laser incide sobre um átomo — o ângulo de incidência, a forma do feixe, e assim por diante — você pode efetivamente fazer com que ele cancele todos os fótons adicionais que o átomo tende a emitir,” diz ele. “Isso nos deixaria com um fluxo que é realmente muito puro.”
O trabalho mostra, teoricamente, que duas barreiras principais para circuitos fotônicos mais rápidos podem ser abordadas ao mesmo tempo. Se confirmado experimentalmente, a técnica pode ajudar a acelerar o desenvolvimento de computadores quânticos avançados e sistemas de comunicação mais seguros. Os pesquisadores planejam testar a ideia em experimentos futuros.
Detalhes do Estudo e Financiamento
O estudo, “Purificação assistida por ruído de uma fonte de fóton único,” foi publicado na revista Optica Quantum.
O financiamento para a pesquisa veio do Escritório do Subsecretário de Defesa para Pesquisa e Engenharia do Departamento de Defesa dos EUA. Apoio adicional foi fornecido por meio de uma bolsa de início do Escritório do Vice-Presidente de Pesquisa da Universidade de Iowa, através do programa P3, que ajudou a lançar o projeto.
